2.1. 시험체 제작

물과 접촉한 콘크리트의 알칼리이온 침출 특성을 규명하 기 위해 보통 포틀랜드 시멘트 (Ordinary Portland cement; OPC)와 포졸란 물질이 사용되었다. 골재는 수화과정 중 반 응하는 물질이 아니며, 또한 침출과정에도 관여하지 않는 것 으로 가정하여 시멘트 경화체로 수조를 제작하였다.

플라이애시 (Pulverised fuel ash; PFA) 치환율 30%인 시 멘트 경화체와 고로슬래그 (Ground granulated blast furnace slag; GGBS) 치환율 60%인 시멘트 경화체로 제작된 시험체 도 제작하여 포졸란 물질의 알칼리 침출 특성에 미치는 영향 에 대해 연구하였다.물-시멘트 비를 각각 0.3, 0.4, 0.5으로 하여 시험체를 제작하였다.

알칼리이온의 침출을 최대화하기 위해 시험체는 수조형태 로 제작하였다. 수조 시험체의 내부 치수는 150×90×95 mm 이며, 벽체 및 바닥의 두께는 10.0 mm로 하였다. 시험체 성 형을 위해 Fig. 1과 같이 8.0 mm 두께의 아크릴 몰드를 이 용하였다. 내부에 물을 저장할 공간을 확보하기 위해 아크릴 몰드에 브릿지를 설치하여 스티로폼을 고정하였다. 시멘트 페이스트 타설 후 24시간 경과 후 탈형을 한 다음, 폴리에틸 렌 필름으로 수분증발을 차단하여 7일 동안 양생하였다. 양 생 후에는 수조의 외부표면을 에폭시 도장처리한 후 측정구 가 있는 덮개를 씌워 Fig. 2와 같이 제작하였다.

Fig 1.

Set-up of mould for cement paste bucket for pH monitoring

Fig 2.

Concentrations Cement paste bucket

2.2. 실험방법

결합재 공기접촉에 의한 영향을 최소화하기 위해 아크릴 덮개의 마개를 닫은 채 유지하였으며, 측정 시에만 측정 구 멍을 통해 전극을 삽입하였다. 알칼리도 측정장비는 WTW pH 3110 SET2를 사용하였다. 온도계를 이용하여 수온을 측 정 후 이에 대응하는 알칼리도를 소수점 2번째 자리까지 기 록하였다.

측정방법은 우선 증류수의 수온 및 알칼리도를 측정하여 기록한 후, 증류수 800 mL를 수조 시험체에 채웠다. 초기 10분 동안은 매 10초 간격으로 측정을 하고 그 이후에는 매 30분 간격으로 측정하였다. 30분 간격의 측정 알칼리도값의 변화가 ±0.1 미만인 경우에는 매 2시간 간격으로 측정하였 다. pH값이 최고값으로 수렴된 때에는 증류수를 교체하여 같은 방식으로 재측정하여 기록하였다. 마지막으로 수조 시 험체의 물을 제거한 후 시험체를 24시간 동안 101±2°C의 온 도에서 건조시켰다. 건조된 시험체의 안쪽면에서 1.0 mm간 격 깊이로 3.0 g의 시료를 채취하였다. 채취한 시료에 40 mL 의 증류수를 가하여 현탁시킨다. 자기 교반기를 이용하여 현 탁액을 10분 동안 교반한 후 용액의 pH를 측정하였다. 이러 한 방식으로 침출이 완료된 시험체의 깊이별 알칼리도 분포 를 나타내었다.

3.1. 제작시간 경과에 따른 pH 변화

물-시멘트 비에 따른 시멘트 경화체 수조 내 용액의 pH 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 모니터링 하는 시간은 로그눈 금간격으로 나타내었다. 물-시멘트 비가 각각 0.3, 0.4, 0.5인 경우 공통적으로 용매의 pH에 따라 계단식으로 증가하는 양 상을 나타냈다. 초기에 급격하게 pH 9 정도까지 급격하게 증가된 후 완만하게 증가하다가 다시 급격하게 증가하여 pH 12 정도에 이르는 것으로 나타났다. 그러나 물-시멘트 비가 커질수록 pH값 상승이 지연되다가 최고값은 약 pH 12.8까 지 증가함이 확인되었다.

Fig 3.

Set-up of measuring the pH of the water in cement paste specime

Fig 4.

Increase in the pH of water in cement paste bucket with time depending on W/C

포졸란 물질로 치환한 경우에는 Fig. 5와 같이 OPC를 사 용한 경우에 비해 최종 수렴하는 구간에서의 pH가 전반적으 로 낮은 수준을 유지했다. 이는 단위 시멘트 사용량의 감소 에 기인한 것으로 판단된다. 또한 포졸란 물질를 치환하여 사용한 경우에도 앞서 설명한 것과 같은 특정 pH 환경에서 급격하게 증가하다 완만해짐을 반복하는 계단식 상승 양상 을 보였다. 그러나 30% PFA 경우에는 pH가 약 11.4에 도달 할 때까지 선형적으로 상승한 후 상승폭이 완화되어 약 pH 12.5에서 수렴하였다. 60% GGBS 시험체의 경우에는 약 pH 8.7까지 1차적으로 증가한 후 단기간 동안에 급격하게 pH 12.2까지 증가한 후 상승폭이 완화되었으며, 약 pH 12.6에서 수렴하였다.

Fig 5.

Increase in the pH of water in cement paste bucket with time depending on binder

pH가 수렴한 이후에는 용매를 교체하고 다시 pH가 일정 값에 수렴할 때까지를 반복적으로 측정하였다. Fig. 6은 각 각 용매를 교체할 때마다의 pH를 측정 결과를 나타낸 것이 다. 첫 번째의 증류수 (pH 7.23)에서는 pH가 최고 12.8까지 상승하였으며, 물을 교체할수록 최고 pH가 소폭으로 감소하 는 경향을 나타냈다.

Fig 6.

Increase in the pH of water in cement paste bucket with time depending on the number of solvent substitution

3.2. 수산화이온 농도

Fig. 7은 pH 모니터링 결과를 이용하여 시간경과에 따른 침출된 수산화이온의 농도 변화를 나타낸 것이다. 침출되는 수산화이온의 농도는 0.083 mol/L로 물-시멘트 비가 0.4인 경우 가장 큰 것으로 나타났다. 이는 800 mL의 물에 약 1.13 g의 수산화이온이 함유되어 있는 것이다. 물-시멘트 비가 다 른 경우에 최종 농도는 다소 차이가 있으나 최종 농도에 도 달하는데 걸린 시간은 거의 일정한 것으로 나타났다. 이는 접촉된 용액의 pH에 영향을 미치는 침출 이온량은 차이가 있을지라도 이러한 이온이 이동하는데 걸리는 시간은 큰 차 이가 없기 때문이라 보여진다.

OPC와는 달리 포졸란계 혼화재를 사용한 시멘트 경화체 의 경우는 pH의 변화가 상이하고 이에 따른 알칼리이온의 침출성능의 차이가 있음을 Fig. 8에서 보여주고 있다. 침출 되는 수산화이온의 농도는 OPC의 경우에 가장 높게 나타났 으며, 60% GGBS와 30% PFA의 경우에는 현저하게 낮았 다. 포졸란 물질을 사용한 경우 총 침출량의 절반에 못 미치 는 양의 수산화이온이 침출되었다. 또한 최고 pH값에 이르 는데 걸리는 시간도 차이가 있었다.

Fig 7.

Cumulative concentration of hydroxyl ions with time depending on W/C

Fig 8.

Cumulative concentration of hydroxyl ions with time depending on W/C

3.2. 수산화이온 농도시험체의 깊이별 pH

Fig. 9는 각각의 물-시멘트 비에 대한 OPC시험체로부터 깊이별로 채취한 분말의 현탁액의 pH를 측정한 결과이다. 물-시멘트 비가 0.3인 경우에 7-8 mm깊이 이후에 일정한 양 이 유지된다. 이와 같이 알칼리이온의 침출 실험 종료 후 시 멘트 경화체 내부의 pH-프로파일링을 통한 알칼리이온의 침 출 영향범위는 결합재의 종류에 따라서도 Fig. 10에서와 같 이 매우 상이하게 나타난다.

Fig 9.

Profile of the pH of suspension containing cement paste bucket after the alkali leaching test depending on W/C

Fig 10.

Profile of the pH of suspension containing cement paste bucket after the alkali leaching test depending on binder

본 연구에서 사용한 OPC의 경우 침출 영역이 표면에서부 터 약 7-8 mm로 국한되어 있는 반면에 포졸란계열의 혼화 재인 30% PFA, 60% GGBS의 경우 침출에 영향을 받는 깊 이가 10 mm 이상으로 OPC에 비해 깊어지는 것을 알 수 있다.

4.1 알칼리이온의 침출특성

물과 콘크리트 수조 시험체 내 증류수의 시간 경과에 따른 변화는 앞서 실험 결과와 같이 계단식으로 증가하는 양상을 나타냈다. 나타냈다. 이는 콘크리트 내부 공극수의 pH는 12.6에서 수 산화칼슘의 용해에 의해 영향을 받고, pH 12.6-10에서 규산 칼슘의 용해에 의해 영향을 받는다는 기존의 연구로 해석이 가능하다. Fig. 4에서와 같이 pH 7-10 환경에서는 알루미늄 (Al), 철 (Fe)가 pH의 상승을 주도하고, 그 이후 pH 10-12 환경에서는 규산칼슘의 용해로, pH 12 이상의 환경에서는 수산화칼슘의 용해로 인해 pH가 상승되는 것으로 사료된다. 포졸란 물질을 사용한 시험체의 경우에는 결합재의 종류, 즉, 수화물의 종류에 따라 특정 pH에서 pH 상승이 정체되는 것으로 판단되고, 이는 결합재의 종류에 따른 수화물이 pH 변화에 대해 완충작용을 하는 것으로 볼 수 있다.

시험체 내의 증류수를 교체하는 횟수가 증가함에 따라 최 고 pH가 소폭으로 낮아지고, pH 증가가 지연되는 것은 이미 용매를 통해 pH를 상승시킬 수 있는 알칼리이온의 침출이 한정적이기 때문이라 생각된다. 그러나 Fig. 7에서 초기에는 오히려 용매를 교체하고 난 뒤 pH가 급격하게 상승하였다. 이는 시멘트 경화체가 용매에 닿기 전, 오히려 용매가 대류 현상에 의해 시편 내부로 흡수되고 화학적 평형상태에 이른 후 알칼리 이온이 침출될 때까지 시간이 소요되었기 때문이 라고 볼 수 있다. 이에 상대적으로 2, 3회 용매를 교체한 경 우에는 이미 용매와 시편 내부 사이에 물에 의한 상평형 상 태를 유지하고 있으므로 초기 pH가 빠른 속도로 상승했을 것이라 판단된다.

Fig. 11은 증류수 교체에 따른 최고 pH 변화를 나타낸 것 이다. 공통적으로 증류수 교체 횟수가 증가할수록 최고 pH 가 낮아지는 경향을 나타냈으며, 결합재에 따라서는 OPC > 30% PFA > 60% GGBS의 순으로 최고 pH값이 높게 나타 났다. 뿐만 아니라 세 가지 경우 모두에서 증류수 교체 횟수 의 증가에 따라 pH 저하폭도 상대적으로 낮아지는 것을 알 수 있었다. 침출되어 용액의 알칼리도에 영향을 미치는 화합 물이 특정 깊이 내에서는 증류수 교체에 따라 소모되기 때문 인 것으로 판단된다. 그래프에서 OPC의 경우 1회 증류수 교 체 시 최고 pH 감소 폭이 큰 것은 공극구조와 연관하여, OPC의 경우가 상대적으로 이온이 이동하기 수월했기 때문 에 최초의 증류수 접촉 시 많은 수산화이온이 소모되어 다음 증류수 교체 시 침출량이 감소되었기 때문이라 생각된다.

Fig 11.

The pH at peak value with the number of solvent substitution

Fig. 12는 최고 pH에 도달하는데 소요된 시간을 그래프로 나타낸 것이다. 30% PFA의 경우가 비교된 경우 중 최고 pH에 도달하는 시간이 가장 짧은 것으로 나타났으며, 60% GGBS의 경우가 최고 pH에 도달하는 시간이 가장 긴 것으로 나타났 다. 또한 물 교체 횟수가 증가할수록 최고 pH에 도달하는 시 간이 지연되었다. 침출에 관여를 하는 시험체의 특정 깊이에 서의 수산화이온의 양이 제한적이기 때문에 최고 pH에 도달 하기 위해 침출되는 수산화이온의 양도 상대적으로 적었을 것이라 판단된다. 따라서 최고 pH 도달하는 시간이 지연되 었을 것이라 사료된다.

Fig 12.

Time to peak pH value with the number of solvent substitution

4.2. 알칼리이온의 침출속도

각각의 pH에서 수산화이온의 침출속도를 pH모니터링 결 과를 이용하여 Fig. 13, 14에 나타내었다. 물-시멘트 비에 대 해 약 pH 12 정도에서 유사하게 최대 침출속도를 갖는 것으 로 나타난다. 또한 물-시멘트 비가 낮은 경우에 그 속도 또한 높게 나타났다. 물-시멘트 비가 0.3인 경우에 0.4인 경우와 비교하여 침출속도가 약 2배 정도 빠른 것으로 측정되었다. 단위시멘트량의 상대적인 증가로 물-시멘트 비가 낮은 경우 에 침출속도가 높아졌다고 판단된다. 또한 pH 12에서 이온 화되어 침출에 큰 영향을 미치는 수산화칼슘양의 증가와도 연관이 있다.

Fig 13.

Leaching rate against the pH depending on W/C

Fig 14.

Leaching rate against the pH depending on W/C

시간 경과에 따른 수산화이온 침출량의 변화는 접촉한 용 액의 pH 변화에 영향을 미치는 성분 및 양의 차에 기인한 것으로 판단되는데 수화물 중 Ca(OH)₂가 상대적으로 적은 60% GGBS의 경우 침출되는 수산화이온의 양이 가장 작았 다. 또한 pH에 따른 침출속도에 있어서도 OPC의 경우에는 앞서 언급한 것과 같이 pH 12에서 침출속도가 최고였으나, 포졸란 물질을 치환한 경우에는 약 pH 11.4에서 침출속도가 최고였다. OPC의 경우에는 pH 12에서 수산화칼슘의 용해로 인한 침출속도가 가장 빠르며, 포졸란 물질을 치환한 경우에 는 pH 11.4 정도에서 규산칼슘의 용해로 인한 침출속도가 가장 빠른 것으로 사료된다.

4.3. 침출 유효깊이

Fig. 9, 10에서와 같이 시험체의 깊이별 수산화이온 농도 분포로부터 일정 깊이까지는 침출되어 용액의 pH에 영향을 미치지만 더 깊은 곳에서는 영향을 미치지 않았다고 볼 수 있다. 이는 Fig. 9에서 물-시멘트 비가 0.3인 경우에 7-8 mm 깊이 이후에 pH 값이 일정하게 유지되므로 해당 깊이 전까 지의 수산화이온이 침출되는 유효깊이라 판단할 수 있다. 다 시 말해 수산화이온이 침출되어 용액의 pH에 영향을 미치는 깊이를 침출 유효깊이라 정의할 수 있다. 물-시멘트 비가 증 가할수록 유효깊이가 깊어지는 양상을 나타냈다. 다시 말해 물-시멘트 비가 높을수록 더 깊은 곳으로부터 수산화이온이 침출되며 그 침출속도도 빠르다고 할 수 있다. 물-시멘트 비 가 클수록 알칼리이온이 침출 가능한 유효깊이가 깊어지고 따라서 총 침출량도 증가한다고 할 수 있다. 그러나 최고 pH 에 있어서는 차이가 거의 없었다. 따라서 침출 유효깊이는 물-시멘트 비가 큰 경우 이온의 이동경로가 길어지지만 실제 로 침출되는 양에는 큰 차이가 없는 것이다.